大学物理i(电磁学-磁场).ppt

真空中的稳恒磁场,第二节,,,一、电流强度,形成电流的条件：, 在导体内有可以自由移动的电荷或叫载流子（如在半导体中载流子有电子或空穴；在金属中是电子；在电解质溶液中是离子） 在导体内要维持一个电场，或者说在导体两 端要存在有电势差在导体或电解质溶液中的电流称为传导电流电流强度定义为通过截面S 的电荷随时间的变化率,为电子的漂移速度大小,单位: A，mA ，,规定正电荷流动的方向为正方向几种典型的电流分布,粗细均匀的金属导体,粗细不均匀的金属导线,半球形接地电极附近的电流,电阻法勘探矿藏时的电流,同轴电缆中的漏电流,2、电流密度矢量,,,,,大小规定：等于在单位时间内过该点附近垂直于正电荷运动方向的单位面积的电荷,当通过任一截面的电量不均匀时，用电流强度来描述就不够用了，有必要引入一个描述空间不同点电流的大小恒 定 电 流,电流连续性方程 电流稳恒条件,若闭合曲面 S 内的电荷不随时间而变化，有,单位时间内通过闭合曲面向外流出的电荷，等于此时间内闭合曲面里电荷的减少量 .,1）在恒定电流情况下，导体中电荷分布不随时间变化形成恒定电场；2）恒定电场与静电场具有相似性质（高斯定理和环路定理），恒定电场可引入电势的概念；,恒 定 电 流,导体内载流子的定向运动是在稳恒电场作用下形成的。

第二节,,,一、非静电力,,用导线连接的两个带电导体,随着自由电荷的不断迁移，两导体上电荷量逐渐减少，导体间电势差减小，导线中的电流逐渐减小要在导体内形成恒定的电流，就必须在导体内建立一个恒定电场完成这一过程必须有一种提供非静电力的装置，即电源电源不断消耗其它形式的能量克服静电力做功凡电源内部都有非静电力3. 电源、电动势,内电路：电源内部正负两极之间的电路非静电力使正电荷由负极经电源内部到达正极外电路：电源外部正负两极之间的电路静电力使正电荷由正极经电源外部到达负极类似定义场强的方法来定义非静电力场强，单位正电荷所受的非静电力称为非静电力场强把电荷q由负极移向正极(经电源内部) 非静电力作功,二、电动势,电动势：把单位正电荷经电源内部由负极移向正极过程中，非静电力所作的功电源的电动势的方向:规定自负极经内电路指向正极若电动势存在于整个电流回路L，可写作,第一节,,,司南,,,公元前 5 3 世纪,中国发现磁铁矿石吸引铁的现象,,~,公元11世纪,中国发明指南针,并用于航海,,地核每400年比地壳多转一周,地球的磁极每隔几千年会发生颠倒,磁双极不可分,,,N,S,奥斯特实验,双电流作用,,,电子束偏转,,,电与磁是相互关联，密不可分的。

磁现象的微观基础是什么？,安培认为：磁现象的本质是电流，物质的磁性来源于“分子”电流1）每个分子相当于一个环形电流 . 2）磁铁的最小基元由分子电流构成 3）如果分子电流排列整齐，宏观上呈现磁性二、安培分子电流假说,结论：磁现象的本源是电荷的运动磁起源结论,,,一系列实验表明,磁铁 ———— 磁铁电流 ———— 电流,,,都存在相互作用,磁场,所有这些相互作用都是通过磁场来传递.磁场和电场一样,是一种特殊的物质.,一切磁现象起源于电荷的运动.,静止电荷在其周围产生电场.,运动电荷在其周围空间产生磁场，又产生电场.,第二节,,,磁场,,,稳恒磁场是指不随时间变化的磁场,磁感应强度,,,三、磁力线,（1） 曲线上每一点切线方向为该点磁场方向 （2） 通过垂直于磁场方向单位面积磁力线数为该点磁感应强度的大小.,1.画法,(1)两条磁感线不能相交； (2)磁感线是环绕电流的闭合曲线2.性质,3. 磁感线与电流的关系,4、典型电流的磁感线,（1）载流长直导线,（2）载流圆线圈,,,（3）载流直螺线管,（4）载流环形螺线管,,,第三节,,,电流元,,,毕萨定律,,,,,应用,,,P,,说明,,,例,,,例,,,,例,,,例,,B,,,例,,,,小结,,,运动电荷磁场,,,,例,,,例,,,第四节,,,磁感应线,,,,图象,磁通量,,,续上,,(2)非均匀磁场中的磁通量,,例,,,例,,,,,续,磁场高斯定理,,,安培环路定理,,,比较,,,例,,,应用举例,,,例,,,,例,,,例,,,例,,,第六节,,,,现象,,,现象:,安培定律,,,积分法求磁力,,,例,,,用右手法则判断,磁力方向如图所示.,例,,,例,,,例,,,例,,,例,,,1安培的定义,,,,,,电磁炮,,,,,,+,超大功率电源,,,,,,,,,第七节,,,现象,,,,现象,磁力矩,,,续上,,,平衡,,,例,,,例,,,磁力矩的功,,,磁力矩的功的概念,例,,,第五节,,,,,洛仑兹力,,,电磁合力,,,带电粒子磁运动,,,圆运动,,,,,螺线运动,,,,,,,,,B,,,q,,,,,,,B,,,q,带电粒子在磁场中的螺旋运动,,,,,,,,,,,螺距,,,磁聚焦原理,,,磁聚焦側视,,,磁聚焦側视图,磁镜,,,,,,,磁约束(磁镜效应),,,,F,,AMS磁谱仪,,续32,,,同上,同上,续33,,同上,,,范艾仑带,,霍耳效应,,,续上,,霍耳效应,续上,,高斯计,,利用霍耳效应测恒定磁场,例,利用霍耳效应鉴别半导体类型,,,测半导体,,,静止电荷或运动电荷受到的电场力,运动电荷受到的磁场力（洛仑兹力）,§7 带电粒子在电场和磁场中的运动应用,运动电荷在电场和磁场中受的力,J.J.Thomson在剑桥卡文迪许实验室从事X射线和稀薄气体放电的研究工作时，通过电场和磁场对阴极射线的作用，得出了这种射线不是以太波而是物质的质粒的结论，测出这些质粒的荷质比(电荷与质量之比），发现了电子。

一、荷质比的测定,荷质比是1897年J.J.Thomson 测定的，虽然当时已有大西洋电缆，但对什么是电尚不清楚，有人认为电是以太的活动实验装置图,在电子经过路径上施加相互垂直的电场与磁场，利用带电粒子在电场与磁场的作用下发生偏转测出电子的荷质比实验原理,实验过程,(1) 电子受磁力和电力平衡，在显示屏上不发生偏转，从而测出电子流速度2） 去掉电场，电子流只在磁场作用下偏转荷质比,由荧光屏上的光点位置确定,讨论,1、第一次发现了电子，是具有开创性的实验 发现该荷质比约比氢离子荷质比大1000倍 说明带电质粒是比原子更小的质粒，后来这种质粒被称为电子 用不同的金属做实验做出来比值一样 2、1909年，Milikan测电荷，发现各种各样的电荷总是某一个值的整数倍——发现电子量子化 3、1904年Kaufmann发现荷质比随速度变化，那么究竟是荷还是质随速度变化？,荷变还是质变？,电荷随速度变化吗？对电中性物质加热，电子 速度的变化没有破坏电中性，电荷不随速度变化 应该是质量随速度变化 荷质比测量的意义 1、电子是第一个被发现的基本粒子 2、搞清楚什么是电 3、发现了速度效应，提供狭义相对论的重要实验基础,,二、霍耳效应,霍尔电势差的经验公式为：,RH与材料的性质及环境温度有关,经典霍耳效应是1879年德国物理学家Hall发现的,霍尔效应的原因：是由于磁场对导体（半导体）内的运动电荷的洛伦兹力作用所引起的效应。

正、负电荷在导体两侧的积累形成附加电场，当运动电荷所受到电场力与洛仑兹力相等时,得,霍耳系数,霍耳电压,设带电粒子的浓度为n，则电流为：,,与霍尔电势差的经验公式 比较,取决于载流子浓度和带电的正、负，可正、可负霍耳效应的应用,2）测量磁场,霍耳电压,1）判断半导体的类型,正、负取决于载流子的正负,q>0,UH>0,P型半导体,q<0,UH<0,N型半导体,从霍尔系数的测量值的正、负可以判断导体载流子的荷电性质,三、回旋加速器,劳伦斯利用带电粒子在电、磁场中运动的基本原理，1932年制造了世界第一台带电粒子回旋加速器此加速器可将质子和氘核加速到1MeV的能量，为此1939年劳伦斯获得诺贝尔物理学奖.,电粒子回旋加速器的制造标志着人类可以利用加速器实现高能粒子、粒子之间的方向，打开了神秘的粒子物理学的大门回旋加速器原理图,两个半圆形的D形金属盒，放置在垂直于D形金属盒面的磁场中，在两个D形金属盒的间隙中施加加速粒子的交变电场金属盒的电场屏蔽效应使得D形金属盒内部不受外电场的干扰，因此在其中运动的带电粒子仅收到磁场的作用回旋共振频率与粒子的速度与半径无关,电场的变化频率等于带电粒子的回旋共振频率。

确保交变电场使粒子加速、均匀磁场使粒子回旋加速的带电粒子在D形金属盒作圆周运动，出射的最大速率为,出射粒子的最大动能为,,我国于1994年建成的第一台强流质子加速器，可产生数十种中短寿命放射性同位素 .,随着粒子加速能量的提高，使得粒子的速度非常大，此时需要考虑相对论效应：,此时带电粒子的回旋周期：,与粒子速率相关，回旋加速器不可能把粒子加速到很高的速率．,完,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,第九章 介质中的磁场,磁介质：能够影响磁场的物质物质的磁化： 在外磁场作用下磁介质出现磁性或磁性发生变化的现象称磁化磁介质被磁化后，会产生附加磁场，从而改变原来空间磁场的分布§1 磁介质的磁化,真空中的磁场,介质磁化后的附加磁场,介质中的磁场,在介质均匀充满磁场的情况下,顺磁质：磁介质在磁化过程中，磁介质所产生的附加磁场与外磁场方向相同一、磁介质的分类,铁磁质,磁介质分类,抗磁质,抗磁质：磁介质在磁化过程中，磁介质所产生的附加磁场与外磁场方向相反铁磁质：在外磁场的作用下能产生很强的附加磁场分子电流：把分子或原子看作一个整体，分子或原子中各个电子对外界所产生磁效应的总和，可用一个等效的圆电流表示，统称为分子电流。

分子磁矩: 把分子所具有的磁矩统称为分子磁矩，用符号 表示二、介质磁化的微观机制,1．顺磁质：分子的固有磁矩不为零即：无外磁场时，,由于热运动，分子固磁矩排列混乱，在V体积内，分子的固有磁矩矢量和为零， ，对外不显出磁性有磁场时，分子固有磁矩沿着外磁场方向排列，在宏观上的任意体积内,分子的固有磁矩矢量之和不为零，对外显出磁性当外磁场越强、分子固磁矩排列越整齐、所产生的附加磁场越强2 电子的进动,处于外磁场中的分子，电子轨道运动受力矩,在力矩作用下，电子的角动量绕外磁场方向进动由于进动，电子产生了附加磁矩.,,不管电子轨道运动方向如何， 附加磁矩总与外磁场方向相反对自旋磁矩，外磁场也有同样作用对顺磁质,附加磁矩可以忽略,电子的进动,,3 抗磁质,由于电子进动，产生与外磁场方向相反的附加磁矩．附加磁矩产生的附加磁场和外磁场相反所以抗磁质磁化结果使介质内部的磁场削弱采用磁化强度来定量描述磁介质在外场中的磁化行为不论顺磁质还是抗磁质，在外磁场中的磁化微观机制不同，但宏观上有共同之处三、磁化强度与磁化电流,,在磁介质内取一小体积ΔV,,有外磁场时,单位体积内分子磁矩的矢量和。

没有外磁场时,1.磁化强度,2.磁化电流,对于各向同性的均匀介质，介质内部各分子电流相互抵消，而在介质表面，各分子电流相互叠加，在磁化圆柱的表面出现一层电流，好象一个载流螺线管，称为磁化面电流设介质表面沿轴线方向单位长度上的磁化电流为 （面磁化电流密度），则长为l 的一段介质上的磁化电流强度IS为,取一长方形闭合回路ABCD，AB边在磁介质内部，平行与柱体轴线，长度为l，而BC、AD两边则垂直于柱面磁化强度对闭合回路的线积分等于通过回路所包围的面积内的总磁化电流§2 磁介质中的磁场,有磁介质存在时，空间任一点的磁场,总磁场 遵从的规律,但,所以引入一辅助矢量—磁场强度H传导电流,定义：磁场强度,两边同除以0 ，再移项,一、介质中的安培环路定理,得到磁场强度的安培环路定理,磁场强度 的安培环路定理的优点：,2）但是磁场强度 ，其中包含磁化强度矢量。